[摘 要]文章通過(guò)引入高精度傳感器、智能測(cè)試系統(tǒng)及先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)智能化測(cè)試平臺(tái)。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、響應(yīng)時(shí)間、故障檢測(cè)和系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面均表現(xiàn)優(yōu)異，為變電站的安全高效運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

[關(guān)鍵詞]變電站；繼電保護(hù)測(cè)試設(shè)備；自動(dòng)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

[中圖分類號(hào)]TM774 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）12–0134–03

Research on the Automation Design and Implementation of Substation Relay Protection Testing Equipment

HU Bohua

[Abstract]This study focuses on the automation design and implementation of relay protection testing equipment for a substation in Ningxia. By introducing high-precision sensors， intelligent testing systems， and advanced data acquisition and analysis technologies， an intelligent testing platform is constructed. The research results indicate that the system performs excellently in terms of data collection accuracy， response time， fault detection， and system stability， providing strong technical support for the safe and efficient operation of substations.

[Keywords]substation； relay protection testing equipment； automated design and implementation

1 工程概況

本研究以寧夏某變電站為例，該變電站的額定容量為200 MVA，配置了高壓與低壓側(cè)的繼電保護(hù)裝置，主要承擔(dān)周邊區(qū)域的電力供應(yīng)任務(wù)。在日常運(yùn)行過(guò)程中，該變電站面臨著多種技術(shù)挑戰(zhàn)，如繼電保護(hù)誤動(dòng)、延時(shí)動(dòng)作和設(shè)備老化等問(wèn)題。這些問(wèn)題不僅嚴(yán)重影響了電力供應(yīng)的穩(wěn)定性，還可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和停電事故，給用戶和企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。因此，亟需采用自動(dòng)化設(shè)計(jì)對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)從而提高整體設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性。

2 變電站繼電保護(hù)測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的系統(tǒng)架構(gòu)采用的是分層設(shè)計(jì)理念，主要分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層3個(gè)部分，如圖1所示。

（1）感知層。該層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，包括繼電保護(hù)裝置的工作狀態(tài)、電流電壓參數(shù)等信息。使用高精度傳感器和智能測(cè)試儀器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)。傳感器的精度應(yīng)達(dá)到0.5%以內(nèi)，確保數(shù)據(jù)的可靠性。

（2）傳輸層。負(fù)責(zé)將感知層收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊或有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至應(yīng)用層。采用工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議（如MQTT或Modbus）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以確保在電力環(huán)境下的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

（3）應(yīng)用層。該層主要包括數(shù)據(jù)分析與處理模塊、用戶界面和故障診斷模塊。數(shù)據(jù)分析模塊運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，及時(shí)識(shí)別設(shè)備的異常狀態(tài)并生成分析報(bào)告。

2.2 硬件配置

硬件配置（表1）選擇了高精度智能傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流、電壓和頻率等關(guān)鍵參數(shù)。在測(cè)試儀器方面，本設(shè)計(jì)選擇了多通道自動(dòng)化繼電保護(hù)測(cè)試儀，該儀器具備至少8個(gè)通道的輸入和輸出能力，能夠同時(shí)對(duì)多組保護(hù)裝置進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試儀的頻率響應(yīng)范圍設(shè)定為10 Hz～20 kHz，該儀器同時(shí)支持快速斷開和恢復(fù)測(cè)試，降低對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行的影響。通訊設(shè)備采用了工業(yè)級(jí)無(wú)線通訊路由器，支持4G/5G和Wi-Fi雙重通訊方式，具備良好的抗干擾能力和數(shù)據(jù)加密功能。服務(wù)器配置方面，部署了1臺(tái)高性能服務(wù)器，搭載Intel Xeon處理器、32 GB內(nèi)存和1 TB SSD存儲(chǔ)，滿足高并發(fā)數(shù)據(jù)處理的需求。該服務(wù)器運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和處理來(lái)自各設(shè)備的數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)處理和用戶界面3大模塊，確保整體系統(tǒng)的高效運(yùn)作。

系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)全面的設(shè)備管理和用戶權(quán)限控制功能，管理人員通過(guò)該模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控所有連接的傳感器和測(cè)試儀器，并及時(shí)調(diào)整測(cè)試參數(shù)。數(shù)據(jù)處理模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和分析功能。用戶界面模塊設(shè)計(jì)為友好的圖形用戶界面（GUI），操作人員可實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果。

2.4 數(shù)據(jù)管理

（1）數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)可通過(guò)高精度傳感器采集電流、電壓和頻率等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電站繼電保護(hù)裝置的工作狀態(tài)。根據(jù)變電站額定容量為200 MVA的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz，傳感器的電流測(cè)量范圍設(shè)定為0.1～500 A，電壓范圍為300～1 000 V。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)的持久性和安全性?？紤]到變電站預(yù)計(jì)年負(fù)荷達(dá)到5 000 MW·h，數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)將具備高可用性和冗余備份功能，確保在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中即使發(fā)生故障也不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。此外，系統(tǒng)將設(shè)置數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限，確保只有授權(quán)的運(yùn)維人員能夠訪問(wèn)和操作關(guān)鍵數(shù)據(jù)，提升整體系統(tǒng)的安全性。初步預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量需要達(dá)到至少10 TB，才能滿足長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)積累和存檔的需求。

（3）數(shù)據(jù)分析。針對(duì)數(shù)據(jù)分析功能引入了機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和預(yù)測(cè)，結(jié)合變電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，特別是繼電保護(hù)裝置在不同負(fù)載下的表現(xiàn)，采用聚類分析方法將設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行分類，識(shí)別正常和異常狀態(tài)。例如，通過(guò)分析過(guò)載保護(hù)設(shè)定為1.5倍額定電流的歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控并預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障風(fēng)險(xiǎn)。此外，通過(guò)異常檢測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障，并根據(jù)設(shè)定的閾值判斷異常程度，指導(dǎo)運(yùn)維人員進(jìn)行有效的維護(hù)決策。在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，還可以定期生成分析報(bào)告為運(yùn)維人員提供數(shù)據(jù)洞察，幫助其優(yōu)化維護(hù)策略，從而提升變電站的整體管理水平和設(shè)備的可靠性。數(shù)據(jù)分析工作流程如圖2所示。

3 變電站繼電保護(hù)測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成需要將高精度傳感器、自動(dòng)化測(cè)試儀器和工業(yè)路由器與軟件平臺(tái)有效集成。采用Modbus協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率要求達(dá)到9 600 bps，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。系統(tǒng)管理模塊分為設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理和用戶權(quán)限控制。設(shè)備監(jiān)控模塊每5 s獲取傳感器數(shù)據(jù)并緩存，數(shù)據(jù)處理模塊則動(dòng)態(tài)監(jiān)控電流和電壓參數(shù)。為保證穩(wěn)定性，設(shè)定異常狀態(tài)閾值，電流超過(guò)1.5倍額定電流時(shí)自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)。用戶權(quán)限控制采用角色訪問(wèn)控制，確保不同操作人員的權(quán)限。

3.2 測(cè)試驗(yàn)證

系統(tǒng)集成后進(jìn)行全面功能測(cè)試和性能驗(yàn)證。設(shè)定正常、過(guò)載和短路等多種測(cè)試場(chǎng)景。系統(tǒng)需連續(xù)運(yùn)行48 h，確保數(shù)據(jù)采集頻率達(dá)到1 Hz，并驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性。在過(guò)載測(cè)試中，模擬電流達(dá)到1.5倍額定電流，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否在5 s內(nèi)識(shí)別異常。在短路測(cè)試中，電流快速上升至設(shè)定值（0.1 s內(nèi)），檢驗(yàn)系統(tǒng)響應(yīng)能力。測(cè)試期間記錄響應(yīng)時(shí)間、數(shù)據(jù)丟失率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，確保在高負(fù)載條件下，最大響應(yīng)時(shí)間控制在100 ms以內(nèi)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)部署

現(xiàn)場(chǎng)部署包括系統(tǒng)安裝、調(diào)試和人員培訓(xùn)等。系統(tǒng)工程師需要根據(jù)設(shè)計(jì)合理選擇傳感器位置并采取防干擾措施，在通訊網(wǎng)絡(luò)配置中，工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器需設(shè)定初始參數(shù)并測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度，保證在變電站環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。路由器通訊間隔設(shè)定為1 min，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。服務(wù)器優(yōu)化設(shè)置需要針對(duì)高并發(fā)需求，將CPU負(fù)載控制在80%以內(nèi)，內(nèi)存使用率保持在70%以內(nèi)。同時(shí)，需要對(duì)運(yùn)維人員進(jìn)行系統(tǒng)操作和故障處理培訓(xùn)，包括演練報(bào)警處理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看和報(bào)告生成等操作，確保運(yùn)維人員熟練掌握系統(tǒng)功能。

4 效果評(píng)價(jià)

4.1 數(shù)據(jù)采集與準(zhǔn)確性

在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，該自動(dòng)化系統(tǒng)的電流和電壓監(jiān)測(cè)頻率為1 Hz，傳感器精度達(dá)到0.5%。在48 h連續(xù)測(cè)試中，系統(tǒng)采集到86 433條數(shù)據(jù)，完整率達(dá)99.5%，可確保高負(fù)荷下數(shù)據(jù)的有效性。經(jīng)過(guò)多輪校準(zhǔn)，傳感器在0.1～500 A測(cè)量誤差控制在0.25%以內(nèi)，有效降低了誤判風(fēng)險(xiǎn)。冗余數(shù)據(jù)采集機(jī)制保證了主傳感器失效時(shí)可自動(dòng)切換至備份傳感器，確保了監(jiān)測(cè)連續(xù)性。

4.2 響應(yīng)時(shí)間與故障檢測(cè)

在過(guò)載和短路測(cè)試中，系統(tǒng)對(duì)1.5倍額定電流的反應(yīng)時(shí)間平均為4.8 s，符合5 s的預(yù)設(shè)要求。在短路條件下，系統(tǒng)在0.08 s內(nèi)檢測(cè)到異常并發(fā)出警報(bào)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)成功識(shí)別出8次潛在故障狀態(tài)，提供了提前預(yù)警，減輕了設(shè)備老化風(fēng)險(xiǎn)。誤報(bào)率保持在0.3%以下，進(jìn)一步提高了故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性，減輕了運(yùn)維人員的負(fù)擔(dān)。

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性與并發(fā)處理能力

在多通道測(cè)試中，系統(tǒng)最大響應(yīng)時(shí)間穩(wěn)定在90 ms，遠(yuǎn)低于100 ms的閾值，表明在高負(fù)載下仍能保持良好性能。服務(wù)器在高并發(fā)情況下，CPU負(fù)載保持在75%左右，內(nèi)存使用率控制在65%以內(nèi)，資源利用效率良好。在處理瞬時(shí)大量數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)維持較低延遲，有效提高了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究以寧夏某變電站繼電保護(hù)測(cè)試設(shè)備為例，通過(guò)高精度傳感器和智能測(cè)試系統(tǒng)，該變電站在數(shù)據(jù)采集、故障檢測(cè)及響應(yīng)時(shí)間等方面均達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 王浪群.電力綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與變電站的繼電保護(hù)研究[J].中華紙業(yè)，2024，45（9）：115-117.